التوصيل الحراري
- قانون فورييه
- Q̇ = kAΔT/L
- مقاومة التوصيل الحراري
- R = L/(kA)
- مقاومة الحمل الحراري
- R = 1/(hA)
- مقاومات على التوالي
- Q̇ = ΔTtotal/ΣR
- قيمة U
- U = 1/(ΣR·A)
انتقال الحرارة: حزمة المراجعة المكثفة
أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و4 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.
1القوانين وطرق الحل
المبادلات الحرارية (LMTD)
- معدّل انتقال الحرارة
- Q = U·A·ΔTlm
- متوسط فرق درجات الحرارة اللوغاريتمي
- ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
- موازنة التيارات
- Q = ṁcp(Tin − Tout)
2مسائل تدريبية
1.التوصيل الحراريمتوسطة
جدار مكوّن من 50 mm من الخرسانة و 25 mm من الطوب، ومساحته 8 m². الوجهان الخارجيان عند 22 °C و 9 °C. أوجد درجة الحرارة Ti عند السطح الفاصل بين الطبقتين.
L1 = 50 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 22 °CT3 = 9 °C
Ti = °C
2.التوصيل الحراريصعبة
جدار من 100 mm الخرسانة و 100 mm الزجاج يفصل غرفة عند 22 °C عن الهواء الخارجي عند -6 °C. معاملا الحمل 8 W/(m²·K) في الداخل و 25 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 20 m². أوجد الفقد الحراري Q̇ عبر الجدار.
L1 = 100 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
3.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
ينقل مبادل حراري متوازي الجريان 460 kW. يبرد المائع الساخن من 170 إلى 140 °C ويسخن المائع البارد من 20 إلى 80 °C. معامل انتقال الحرارة الكلي 1500 W/(m²·K). أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.
Q̇ = 460 kWU = 1500 W/(m²·K)Th: 170 → 140 °CTc: 20 → 80 °C
A = m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
يبرد زيت ساخن (1 kg/s، cp = 2,5 kJ/(kg·K)) من 155 إلى 40 °C في مبادل متعاكس الجريان. وهو يسخّن 1,5 kg/s من الماء (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الداخل عند 15 °C. مع U = 300 W/(m²·K)، أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.
ṁh = 1 kg/scp,h = 2,5 kJ/(kg·K)Th: 155 → 40 °Cṁc = 1,5 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
3المحاليل
1.التوصيل الحراري
الإجابة: Ti = 15,41 °C
المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.
مقاومات الطبقات
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1,4·8) = 0,004464 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·8) = 0,00434 K/W
التدفّق الحراري
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 13/0,008805 = 1477 W
درجة حرارة السطح الفاصل
تنخفض درجة الحرارة عبر الطبقة الأولى بمقدار Q̇·R₁.
Ti = T1 − Q̇·R1 = 22 − 1477·0,004464 = 15,41 °C
الإجابة
Ti = 15,41 °C
2.التوصيل الحراري
الإجابة: Q̇ = 1644 W
المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.
مقاومات على التوالي
Ri = 1/(hiA) = 1/(8·20) = 0,00625 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1,4·20) = 0,003571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0,96·20) = 0,005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·20) = 0,002 K/W
ΣR = 0,01703 K/W
الفقد الحراري
Q̇ = (22 − (-6))/0,01703 = 1644 W
الإجابة
Q̇ = 1644 W
3.المبادلات الحرارية (LMTD)
الإجابة: A = 3,122 m²
طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.
فروق درجة الحرارة عند الطرفين
في الجريان المتوازي يكون المدخلان عند الطرف نفسه، والمخرجان عند الطرف الآخر.
ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 170 − 20 = 150 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 140 − 80 = 60 K
الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (150 − 60)/ln(150/60) = 98,22 K
المساحة
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 460000/(1500·98,22) = 3,122 m²
الإجابة
A = 3,122 m²
4.المبادلات الحرارية (LMTD)
الإجابة: A = 18,38 m²
طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.
الحمل الحراري ودرجة حرارة الماء الخارج
Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2,5·115 = 287,5 kW
Tc,out = 15 + 287,5/(1,5·4,18) = 60,85 °C
فروق درجة الحرارة عند الطرفين
في الجريان المتعاكس يقابل مدخل الساخن مخرج البارد، ويقابل مخرج الساخن مدخل البارد.
ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 155 − 60,85 = 94,15 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 15 = 25 K
الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (94,15 − 25)/ln(94,15/25) = 52,15 K
المساحة
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 287500/(300·52,15) = 18,38 m²
الإجابة
A = 18,38 m²
ExamProblems · examproblems.com/courses/heat-transfer